压气机叶片抗冲蚀涂层的研究及应用进展

综述了压气机叶片抗冲蚀涂层的研究进展、应用情况以及为了改善涂层性能而进行的多元合金化、多层涂层方面的研究,展望了今后压气机叶片抗冲蚀涂层的发展方向.     

CrAlN抗冲蚀涂层制备及性能研究

为提高钛合金材料抗冲蚀性能,利用真空阴极电弧沉积技术在TC11钛合金上沉积CrAlN涂层,研究靶电流、偏压和气压对涂层结构及性能的影响。采用扫描电镜观察膜层表面和截面形貌,金相显微镜对表面的大颗粒进行定量分析;显微硬度计测量膜层的维氏显微硬度;采用喷砂试验机对涂层的抗冲蚀性能进行测试,通过三维表面轮廓仪测量涂层厚度和侵蚀坑的深度;X射线衍射仪表征涂层中的晶体结构。结果表明:靶电流从70A增大到110A,虽可提高涂层的沉积速率,但会导致涂层表面大颗粒增加,从而降低涂层的抗冲蚀性能;气压从1Pa增大至4Pa,可有效地减少涂层表面颗粒的尺寸及数量,但也会一定程度降低沉积速率及硬度;偏压对CrAlN涂层的结构及性能影响最大,偏压在-50V时涂层呈(200)择优取向,-100V涂层呈(111)择优取向,-200V时,涂层择优取向不明显;且随着偏压的增加,涂层的硬度及抗冲蚀性能增大,在高冲蚀角下,冲蚀的失效机理为脆性失效。结论:工艺参数中靶电流对表面质量的影响最大;涂层的生长取向与偏压密切相关;CrAlN涂层的表面质量及硬度直接影响其抗砂粒冲蚀性能,偏压对涂层抗冲蚀性能影响最大。最终优化的工艺参数为:靶电流90A、偏压-100V、气压4Pa。     

材料的冲蚀问题

本文分析讨论了近年来材料冲蚀研究进展,总结出只有当入射角度非常低或入射粒子粒径相当小时,脆性材料的冲蚀率才有可能比韧性材料的冲蚀率低;决定韧性材料抗冲蚀性能的关键因数并不是材料的硬度而是材料的弹性模量;热喷涂涂层的冲蚀显示出脆性材料的冲蚀特性。     

挟沙风作用下风力机叶片涂层冲蚀特性研究

内蒙古中西部地区高频出现沙尘暴活动,风力机叶片涂层长期被挟沙风冲蚀磨损,导致风力机叶片涂层出现冲蚀坑和裂纹,缩短风力机叶片寿命。针对这一问题,利用自制的挟沙风试验台,采用气流挟沙喷射法对以环氧玻璃纤维板为基底的风力机叶片涂层进行低角度加速冲蚀磨损试验,用失重测量法测定冲蚀磨损量与冲蚀速度的关系,用扫描电镜(SEM)观测分析涂层表面的冲蚀形貌来确定冲蚀机理,并提出涂层冲蚀磨损程度的评价计算公式。结果表明:涂层的冲蚀磨损量随着冲蚀速度的增大而增加;低角度冲蚀以微切削冲蚀磨损作用为主,材料的硬度起着决定性作用,高角度冲蚀主要以挤压变形冲蚀磨损为主,材料的韧性起决定性因素,由于聚氨酯涂层材料是塑性材料,其韧性高而硬度低,故在低冲蚀角下冲蚀磨损量大;验证了评价计算公式用于评价涂层冲蚀磨损程度的可靠性,为运行在风沙环境下的风力机叶片涂层的改进提供理论依据。     

材料的冲蚀问题

本文分析讨论了近年来材料冲蚀研究进展，总结出只有当入射角度非常低或入射粒子粒径相当小时，脆性材料的冲蚀率才有可能比韧性材料的冲蚀率低；决定韧性材料抗冲蚀性能的关键因数并不是材料的硬度而是材料的弹性模量；热喷涂涂层的冲蚀显示出脆性材料的冲蚀特性     

偏压梯度TiAlN涂层高温氧化与抗高温粒子冲蚀性能

采用连续偏压的沉积工艺与磁过滤阴极真空弧技术在TC4钛合金表面成功制备偏压梯度TiAlN涂层，对涂层的高温氧化性能与抗高温粒子冲蚀性能分别进行了考核，并对考核前后涂层的表面形貌、成分、相结构变化，以及冲蚀损伤特征进行了测试与表征。结果表明，400℃高温氧化后偏压梯度TiAlN涂层表面颜色加深，且保持完整平滑，无明显损伤；偏压涂层表面氧原子分数为20.9%,质量增加为0.81μg/mm²,偏压涂层结构更加致密，抑制氧元素向内扩展，抗氧化性能较bias-50 TiAlN涂层更佳。400℃下高温粒子冲蚀条件下，偏压梯度TiAlN涂层在30°与90°冲蚀角度下的冲蚀率分别为0.26 mg/g、0.24 mg/g,低于bias-50 TiAlN涂层，表现出更加优异的抗高温粒子冲蚀性能；在400℃条件下，钛合金基体与TiAlN涂层未发生明显的氧化损伤，高温粒子冲蚀损伤均为冲蚀主导机制。     

TC4钛合金风扇盘裂纹分析

TC4钛合金是国内外用量最多、使用范围最广的一种钛合金,已成功地在多种先进的航空发动机上得到了应用。国内装有TC4钛合金压气机盘和叶片的航空发动机,有些已经通过了长期地面试车,有些已经经历了一定时间的飞行考验。国外采用TC4钛合金做压气机部件的发动机也很多。 自行设计的某型涡轮风扇发动机一级TC4钛合金风扇盘示于图1a。本文通过对此盘榫槽部位裂纹(图1b)的分析,提出钛合金使用中     

汽轮机通流部件防固体颗粒侵蚀碳化铬涂层的研制及应用

为了开发新一代用于汽轮机通流部件的防固体颗粒侵蚀技术,采用超音速火焰喷涂方法制备了碳化铬防固体颗粒侵蚀涂层,并对碳化铬涂层进行了金相组织、硬度、结合强度、抗微粒冲蚀性能分析。结果表明:碳化铬涂层组织均匀、致密,孔隙率小于1%;涂层显微硬度达738~980 HV;结合强度平均值达65 MPa以上;抗冲蚀性能是基体材料的1.6倍。对超超临界机组组焊导叶片(隔板静叶)喷涂碳化铬涂层组织与性能进行了分析,最终通过开发独创性的工装及喷涂程序,将碳化铬涂层应用于多台份660 MW、1 000 MW等级火电机组通流部件。     

电子束物理气相沉积热障涂层抗冲蚀性能研究

本文采用真空电弧镀技术(AIP)在DZ408高温合金基体上沉积HY3(NiCrAlYSi)金属粘结层,采用电子束物理气相沉积技术(EB-PVD)在HY3粘结层上沉积YSZ陶瓷面层,研究了热障涂层的抗冲蚀性能。对于沉积热障涂层的试样进行了抗冲蚀试验,来评价其抗冲蚀性能,通过扫描电镜(SEM)分析冲蚀前后的试样显微形貌,用X-射线衍射仪分析涂层的相结构,通过质量冲蚀率对涂层抗冲蚀性能进行表征。试验结果表明在相同冲蚀条件下,TBC涂层冲蚀率随冲蚀时间的增加而增加;涂层经光饰处理后降低了TBC的表面粗糙度,提高了TBC的抗冲蚀能力。     

内燃机用Ti600钛合金表面阴极离子镀制备AlCrVN 涂层及其性能研究北大核心CSCD

选择阴极电弧离子镀方在内燃机用Ti600钛合金表面制备AlCrVN涂层,并进行组织,力学性能和实验冲蚀磨损性能测试分析。研究结果表明:涂层和基底之间具有均匀的致密组织结构,其厚度约等于4.5μm。AlCrVN涂层内除了含有AlN相以及CrN相以外, AlN相以(101)晶面进行择优生长。涂层内部形成了一些断续的小凹坑,并在小凹坑边缘位置出现一定数量的微裂纹,涂层发生了破裂的现象并生成了一些剥离微片。AlCrVN涂层具有比基体更高的硬度与弹性模量,这使得整体结构能够有效抵抗外部粒子的微切削冲击作用。经过480 s冲蚀之后,AlCrVN涂层形成了5.26μm深度的冲蚀坑。AlCrVN涂层在抗冲蚀磨损能力方面达到了基体材料的近9倍。经过垂直冲击后,试样基体表面形成了大量凹坑,表现出塑性冲蚀特征。     

内燃机用Ti600钛合金表面阴极离子镀制备AlCrVN 涂层及其性能研究

选择阴极电弧离子镀方在内燃机用Ti600钛合金表面制备AlCrVN涂层,并进行组织,力学性能和实验冲蚀磨损性能测试分析。研究结果表明:涂层和基底之间具有均匀的致密组织结构,其厚度约等于4.5μm。AlCrVN涂层内除了含有AlN相以及CrN相以外, AlN相以(101)晶面进行择优生长。涂层内部形成了一些断续的小凹坑,并在小凹坑边缘位置出现一定数量的微裂纹,涂层发生了破裂的现象并生成了一些剥离微片。AlCrVN涂层具有比基体更高的硬度与弹性模量,这使得整体结构能够有效抵抗外部粒子的微切削冲击作用。经过480 s冲蚀之后,AlCrVN涂层形成了5.26μm深度的冲蚀坑。AlCrVN涂层在抗冲蚀磨损能力方面达到了基体材料的近9倍。经过垂直冲击后,试样基体表面形成了大量凹坑,表现出塑性冲蚀特征。     

封严涂层性能评定的新方法

利用研制成功的新型电子冲击刮削试验发现，可测试航空发动机封严涂层的冲击载荷－位移曲线，由此得出的屈服载荷点、最大载荷点、冲击刮削韧性等参数可用于定量综合评估封严涂层的可磨耗性、抗冲蚀性以及涂层与基体结合强度。     

TC6钛合金压气机叶片裂纹产生原因

某型航空发动机在完成总运转时间2 081 h后进行拆解检查,在一件TC6钛合金高压压气机Ⅵ级转子叶片上发现沿叶片纵向分布有两条裂纹。通过宏观观察、断口分析、金相检验、能谱分析及硬度测试等方法对裂纹产生原因进行了分析。结果表明:该裂纹为试车过程中产生的疲劳裂纹。发动机在完成阶段性试车后进行拆解检查,复装后叶尖间隙不满足设计要求,导致在随后的试车过程中叶尖与机匣封严涂层发生严重刮擦,造成局部超温、掉块,形成疲劳裂纹源并最终扩展为裂纹。     

航空与航天用钛合金的发展

自从30年以前人们第一次利用钛合金作为燃气涡轮航空发动机的压气机叶片以来,钛合金的用量显著增加,现已广泛应用在航空发动机和飞机骨架中。钛合金在燃气涡轮发动机中的应用30年来,钛合金的操作温度已由300℃左右提高到600℃。具体地说,1948年时IMI318合金用在325℃,1958年时IMI550合金用在400℃,1965年时IMI684合金用在     

3种磨料对超音速火焰喷涂WC-12Co层形貌及冲蚀磨损性能的影响

目前,就冲蚀粒子性质对超音速火焰喷涂(HVOF)WC-Co层的外观、硬度及冲蚀磨损性能的影响研究不多。采用HVOF技术在Q235钢表面制备WC-12Co涂层,并以棕钢玉砂、石英砂和黄砂为磨料,采用常温干砂冲蚀磨损试验机对涂层的冲蚀磨损性能进行了测试。采用显微维氏硬度计测试不同磨料的硬度,采用扫描电镜对磨料形貌、涂层显微结构及涂层冲蚀后的表面形貌进行了观察。结果表明:WC-12Co涂层为典型的层状组织结构,扁平化粒子间结合紧密,涂层内部孔隙较均匀。冲蚀过程中,冲蚀角度从30°增加到90°,涂层的冲蚀率增加。棕刚玉砂和石英砂表面形貌呈不规则多角状,硬度较大的棕刚玉砂对涂层冲蚀磨损较大大。石英砂和黄砂硬度相近,形貌规则的黄砂对涂层的冲蚀磨损较小。不规则的多角状磨料冲蚀的涂层,表面留下不规则坑洞及较深的切痕;规则的近圆外形黄砂冲蚀的表面留下近圆形的坑洞,同时粘结相的切痕较浅。     

钛合金耐磨蚀涂层

钛合金具有较高的强度重量比,是先进发动机应用的优选材料,但它的表面状况对其疲劳强度的影响特别敏感,尤其是飞机在恶劣的环境中飞行或着陆时,灰砂对发动机压气机钛合金叶片的磨蚀擦伤使这种影响更为严重,往往会缩短发动机的维修间隔周期,有时甚至会使零件破坏。直升机在不合乎要求的场地上     

热障涂层技术在航空发动机涡轮叶片上的应用

经济和技术的快速发展有效地推动了我国航空发动机发展,新时期高推重比航空发动机已经成为航空发动机发展的主要方向,在提高航空发动机推重比的众多措施中最直接方式是提高航空发动机涡轮进口温度,以使得航空发动机在工作过程中能够更好地加热、压缩空气,从而使得航空发动机能够产生更高推重比。而航空发动机涡轮进口温度主要受航空发动机涡轮叶片承温能力影响。热障涂层应用于航空发动机涡轮叶片上将有助于提高航空发动机涡轮叶片承温能力。本文将就航空发动机涡轮叶片热障涂层的特点及技术应用进行分析阐述。     

调制周期对Ti-TiN-Zr-ZrN多层膜性能的影响

采用真空阴极电弧沉积技术,在TC11钛合金表面沉积同等厚度的三种不同调制周期Ti-Ti N-Zr-Zr N软硬交替多层膜。用扫描电镜、显微硬度计、结合力划痕仪和砂粒冲刷试验仪分析测试了多层膜的厚度、表面及截面形貌、硬度、膜/基结合力和抗砂粒冲蚀磨损性能等;重点研究了调制周期的改变对多层膜性能的影响。结果表明:随着周期数的增加,单一调制周期变薄,膜层中金属"液滴"颗粒等缺陷减少,同时也增加了大量的层间界面;层界面之间反复形核,晶粒细化,有利于多层膜表面光洁度、致密度、硬度、结合力和抗砂粒冲蚀能力的改善。     

H_2对等离子喷涂-物理气相沉积热障涂层的结构和抗冲刷性能的影响

改变用等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)工艺制备热障涂层时等离子工作气体中H2组分的流量,制备出不同的ZrO_2-7%Y_2O_3(7YSZ)热障涂层并研究了H_2对PS-PVD热障涂层的影响。结果表明:等离子工作气体中的H_2对PS-PVD热障涂层的表面形貌、微观结构、孔隙率、硬度和抗冲蚀性能等性质有显著的影响。H_2流量分别为0、5、10 SLPM时制备的PS-PVD热障涂层,其孔隙率分别为16.7%、20.4%、7.7%;显微硬度分别为224.2 HV0.025、236.6 HV0.025、394.4 HV0.025;固体颗粒冲蚀25 s后的失重量分别为78.5 mg、65.0 mg、17.3 mg。随着H_2组分流量的增大热障涂层的孔隙率先增加后减小,柱状结构逐渐变化,硬度和抗冲蚀性能提高。     

航空发动机叶片的型面质量测量方法对比

航空工业是一个国家的工业之花,其中航空发动机又是其中的核心。在航空发动机的制造过程中,叶片又是航空发动机总体三大部分中压气机中较难制造的部分,其制造的精度以及其型面质量都会对发动机的性能造成严重的影响,以及对航空发动机叶片的检测也提出了较为严峻的考验。现今对于航空发动机叶片型面质量的检测方法众多,不同的检测方法具有不同的适用情况,在航空发动机叶片的检测精度以及测量能力等方面都有着不同的特性。本文将在对比分析的基础上提出航空发动机叶片型面测量技术的发展趋势。